无刷直流电机驱动系统设计研究

　　作为机电一体化电机产品，无刷直流电机具有较好的可控性和宽调速范围，应用极其广泛，根据其控制系统的特点，分析和讨论了无刷直流电机的控制系统，设计并实现了基于STM32F103ZET6控制器的无刷直流电机控制系统。运用该芯片的GPIO模块、PWM模块和定时器模块等，并加入高效的PID算法，实现了无刷直流电机的启动停止控制、位置检测和闭环调速三大主要功能。实验结果证明，此控制系统成本较低廉，运行效果良好，性价比较高。

　　《江苏电机工程》(双月刊)创刊于1982年，是江苏省电力公司和江苏省电机工程学会主管、江苏省电力科学研究院和江苏省电机工程学会编辑工作委员会主办的全国性科学技术刊物，本刊为国际大16开本，彩色封面插页。

　　1 概述

　　随着电子技术的发展，新型机电一体化电机即无刷直流电机出现了，它是现代电机技术、电子技术和控制理论相结合的产物。由于市场需要的增长，无刷直流电机广泛应用于自动化装置，航空航天，汽车，电子消费，医疗设备，办公自动化及日常生活等各领域。无刷直流电机(即BLDCM)可想象成一个定转子倒置的直流电动机，其中永久磁性在转子上，而绕线在定子上。相对于有刷直流电机，该电机没有电刷和换向器的火花、磨损问题，不需要经常维护。具有高转速、高效率、高可靠性、能耗低、噪音低、寿命超长、可伺服控制、简单易用和较低成本的特点。这些优点使得它得到迅速的发展和普及，现在已经成为最具有发展前途的电机产品[1]。

　　按照无刷直流電机的工作原理，电子开关的换相取决于转子磁极位置信号，目前主要有两类技术能够得到转子位置信号。第一类技术是采用无位置传感器的控制技术，其核心内容是通过间接的转子位置信号的检测，代替直接用转子位置传感器获取转子位置磁极信号。事实上，无位置传感器控制技术是从软件和硬件控制两方面着手，增加了控制的复杂性而降低电机结构复杂性。位置检测方法及电路主要包括：反电动势过零点法，反电动势比较法、3次谐波反电动势检测法、反电动势积分检测法，续流二极管法等等[1]。

　　反电动势积分检测法是比较门限值和悬空相反电动势的积分量，某相绕组的换相时刻是当积分量与门限值相等的时候，这种方法的优点：在控制过程中不需要获取转速信息，只需要调节门限值的大小来实现无刷电机的滞后换相或超前，对开关信号也不是很敏感;但是也存在缺点，就是有积分累计误差和门限值设置问题[2-4]。反电动势3次谐波检测法通过反电势的3次谐波来决定电机的换相时刻，优点是相位延迟较小，转速适用范围较大;但是因为低速噪音信号的不断积累，往往会造成换相不准确，使得在积分过程中产生了误差[5-6]。

　　第二类技术是通过安装位置传感器获取转子信号，比如霍尔元件，该技术被广泛采用。利用三个霍尔器件(圆周空间配置有两个方案：相互间隔60度或间隔120度)，转子每旋转60度(120度)电度角，则某个霍尔器件改变其状态，那么与之相对应的逆变器内的某一相的开关状态随着更新变化一次，如此开关状态变化六次(或称六步)就完成了一个电气周转，霍尔器件输出响应的“0”和“1”两种状态的方波，从而判断转子绕组的位置[7-8]。霍尔传感器具有尺寸小、质量轻、制造成本低、方便大规模生产等多个优点，符合本设计的设计需求，本系统中采用霍尔传感器来测量转子的位置信息[9]。

　　在控制算法方面， BLDCM(无刷直流电机)一般采用PID算法控制[10]，这种控制是早先发展起来的一种控制策略，具有诸多优点如算法成熟简单、可靠性高、稳定性好等，因此被广泛应用于控制系统中，据统计，工业控制方面的控制器中有多达90%的PID类型的控制器。

　　2 系统设计

　　无刷直流电机(BLDCM)由三相定子和转子组成，定子绕组感应磁场与转子磁场相互作用产生力矩使电机转动。控制无刷电机转动，必须知道转子的当前位置，本文控制系统中采用霍尔传感器来测量转子的位置信息，由3个霍尔元件产生的电平的时序来判断此刻的转子位置，并对相应的定子绕组进行通电。每一次换相都会有一组绕组处于正向通电，第二组绕组反向通电，另外一组不通电，由此驱动电机转动[1][7]。

　　2.1 系统硬件实现

　　2.1.1 器件选择

　　系统以STM32F103ZET6(以下简称STM32)为主控芯片，STM32具有丰富的PWM通道、高级定时器和AD转换通道，适合用于电机控制的设计。在实际使用过程中，若要使用某模块功能，只要配置好相应的模块寄存器就行，并不需要编写复杂的相应程序，如此就可以使用主要精力提高硬件电路性能，遇到运行过程中出现的问题，可以进行方便及时的调试和维护[11-14]。另外，该芯片外部引脚丰富，本系统只使用了少量引脚，其他部分可留做更多扩展功能的开发应用。

　　2.1.2 硬件功能设计

　　本控制系统由电源部分，驱动电路，STM32微控制器，位置、速度检测，计算机串口通信等组成。STM32可以处理采集收回的电流和位置信号等各种数据，实现BLDCM的控制算法，以及输出无刷电机旋转所需要的脉冲信号，主控芯片STM32则根据给定的指令生成相应的PWM脉冲信号，以此控制驱动系统的开关时间，使无刷直流电机的转速达到预期值。

　　(1)驱动电路

　　驱动部分选用芯片A4931，它是一款完善的三相无刷直流电机的前置驱动器，该设备可驱动多种N沟道的功率场效应晶体管(MOSFET)。支持的马达供电电压高达30V。换相逻辑由相隔120度三个霍尔元件的输入信号决定。还带有三路霍尔元件输入用于控制触发逻辑，并且具备转子锁定保护功能。A4931输出电流的大小取决于外部MOSFET的容量。转子锁定保护检测延时由连至CLD引脚的外部电容来设置。ENABLE，DIRECTION，BRAKE输入可用于控制电机的转速，位置与转矩。提供两种电流控制方式，即可采用外部信号，通过ENABLE输入脚对MOSFET进行PWM控制，也可利用芯片内建的PWM电流调节器实现。由于A4931具备同步整流特性，无论采用哪种电流控制方式，都能确保在电流衰减时开通适当的MOSFET，避免无谓的功率损耗。下面简单介绍几个主要控制引脚的功能及用法。

　　使能输入端(ENB)：允许接外部PWM信号，ENB为高电平关闭合适的驱动，负载电流开始衰减。如果ENB保持低电平，电流会持续增加，直到达到内部电流控制电路设置的水平。典型的PWM频率在20KHz到30KHz之间，调节占空比可控制速度。可利用主控芯片STM32的定时器TIM产生PWM信号控制电机运行，调整PWM信号的占空比就可以改变无刷电机的转速。

　　刹车模式(BREAK)：逻辑低电平加到BREAK引脚上激活刹车模式，而逻辑高电平允许正常工作。

　　方向信号(DIR)：通过高低电平控制马达方向。

　　具有可驱动6个N沟道的功率MOSFET，对低功率耗散同步整流，内部欠压锁定(UVLO)和过热关机电路，霍尔元件输入，PWM电流限制，停机时间保护，FG输出，待机模式，锁定检测保护等功能和特点。

　　场效应管采用双N沟道逻辑电平的FDS8949，具有高功率和电流处理能力，与驱动芯片A4931一起组成了无刷直流电机的驱动部分，如图1 所示。

　　(2)位置、速度检测电路

　　正交编码器，又名增量式编码器或光电式编码器，可以对多种电机实现闭环控制，用于检测运动系统的位置和速度。它是直接利用光电转换原理每转过单位角度就输出一个脉冲信号，通常为A、B和Z相输出。A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲信号，根据延迟关系可以区别正反转，即如果A相超前B相，那么电机的旋转方向就是正向的。如果A相落后B相，那么电机的旋转方向就是反向的，Z相称为索引脉冲，每转一圈产生一个脉冲，作为基准用来确定绝对位置。

　　在本设计中，将霍尔传感器的三个引脚与STM32F103ZET6芯片的外部引脚相连，充分利用该芯片的外部中断功能，将其设置为外部中断捕获模式。

　　系统中使用的是1024线正交编码器，通过单片机IO口对正交编码器输出脉冲波形进行双边沿检测，通过定时器累计一定时间内的脉冲数，可计算出当前速度，使得转速检测精度大大提高，转速误差大大降低。

　　(3)速度PID调节

　　PID控制算法是控制理论中最成熟的一种控制算法，也是生产过程中最普遍采用的控制方法，在机械、机电、化工等行业中得到了广泛的应用。绕组内电流的大小决定着电机的转速，通过控制芯片输出可调的PWM信号控制开关管通断，改变绕组电流达到调速的目的。相对于位置式PID算法，增量式PID算法不需要累加误差，能达到比较好的控制效果，机器出现问题时影响范围较小，不会严重影响生产过程，满足无刷直流电机的要求，所以本系统选择增量式PID控制算法[15]。

　　2.2系统软件实现

　　系统程序主要由硬件初始化，位置检测，换相，速度检测，速度PID调节等组成。硬件初始化主要是初始化要用到的GPIO端口，中断控制，PWM模块，定时器TIM等。位置检测主要是通过单片机IO口检测编码器输出脉冲信号来确定转子的位置信息，只要设定需要的圈数和转速，通过串口通信，就能够控制电机在预定转速下完成预定的圈数后自动停下来。换相是经过检测单片机IO口霍尔电平状态来计算转子位置，并根据当前转子的位置信息改变电流流向。同时间隔一段时间读取预定的转速，并转换成相应占空比的PWM信号对无刷电机进行调速控制，保证系统良好的静态特性和动态特性，为了满足实时性控制要求，程序大部分在中断中调用。

　　闭环调速过程即速度PID调节，进入闭环调速过程后，先要计算实际转速，在进行过流检测，判断当前电流是否超过设定的故障电流，若电流超过设定的故障电流，就需要减小PWM输出达到减小电流的目的，再比较当前速度和给定速度实现速度闭环调节，当速度达到指定速度且不过流时退出闭环调节过程。

　　3 结论

　　实验结果表明，本文中控制系统能够实现对无刷直流电机的相关控制，结合精确的PID算法，能够很好地控制电机的转速，且运行稳定。通过串口通信，使得该系统具有良好的启动停止、换相、调速特性，无刷直流电机运行稳定可靠。使用STM32设计无刷直流电机的驱动控制系统，系统程序精简，硬件设计结构简单，成本较低，系统可靠性高，有较高实用性，可推广使用。

　　经过长时间的实践证明，本系统相关器件的设计是合理的。最终结论：系统方案具有可行性、实用性，且安全可靠。

　　参考文献：

　　[1] 譚建成.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社，2011.

　　[2] 周武，普清明，尚重阳.无刷直流电动机的反电动势积分法位置检测技术研究[J].工矿自动化，2009(8)：63-65.

　　[3] 李声晋，马晖，卢刚，等.基于反电势积分补偿法的无刷直流电动机控制[J].微特电机，2008，06：37-39.

　　[4] 赵伟.基于STM32的无刷直流电机控制系统设计[D].南京信息工程大学，2016.